Controle da redução do óxido de grafeno e seu impacto na operação de transistores eletrolíticos

Abstract

Diante do crescente interesse da comunidade científica por materiais bidimensionais, particularmente àqueles à base de carbono, como grafeno, óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (rGO), devido às suas propriedades e potenciais aplicações, é fundamental compreender como a evolução da redução do GO à rGO modifica suas características. Transistores eletrolíticos (EGTs), importantes dispositivos com potenciais aplicações em biosensoriamento, podem utilizar o rGO como camada ativa e evidenciar modificações do material. Diferentes estratégias de redução do GO podem ser utilizadas, dentre as quais destaca-se o método químico, com ampla gama de reagentes redutores possíveis. A hidrazina, por exemplo, é um reagente redutor que possibilita uma eficiente redução do GO, reestabelecendo a hibridização sp2 do material, consequentemente, aumentando a sua mobilidade de portadores de carga. No entanto, trata-se de um reagente tóxico, restringindo o seu uso. Neste sentido a redução do GO utilizando ácido ascórbico (AA), um método químico mais sustentável, aparece como alternativa. Neste trabalho, foram utilizadas duas rotas de redução do GO, esfoliado em fase líquida, utilizando AA. Estas rotas foram chamadas de reduções ex situ e in situ e as amostras de rGO obtidas por ambas foram utilizadas como camada ativa em EGTs, possibilitando estudos sobre como diferentes parâmetros afetam as características curvas de transferência dos EGTs. A rota ex situ foi realizada em uma suspensão de GO, estudando a influência de diferentes variáveis de processo, como tempo, temperatura e concentração na redução. Através das técnicas de FTIR e UV-Vis, constatou-se que o material foi reduzido, no entanto, após a deposição dos filmes de rGO sobre os eletrodos dos dispositivos, técnicas como AFM e medidas elétricas evidenciaram que houve agregação do material, impossibilitando sua operação como EGT. Foi desenvolvido um arranjo experimental para a rota in situ, de modo que a redução do GO seja realizada após a sua deposição nos eletrodos do dispositivo. Notou-se por esta rota que através de 10 mL de uma solução aquosa contendo 100 mg de AA, 30 uL de hidróxido de amônio, à 90ºC, é possível controlar a redução do GO. Medidas elétricas constataram que a resistência elétrica cai à medida que o tempo de redução aumenta, até 2 h. Resultados de XPS e Raman, complementares às medidas elétricas, evidenciaram que para 1 h de redução, tem-se a menor quantidade de grupos funcionais oxigenados presentes na superfície do rGO. Outras propriedades, como as capacitâncias obtidas devido à interação do material com o eletrólito foram estudadas através de espectroscopia de impedância elétrica (EIS). A redução in situ mostrou-se eficiente, possibilitando uma correlação das características elétricas do dispositivo com as propriedades estruturais e morfológicas dos filmes de rGO, proporcionando melhor compreensão de sua operação, otimizar seu desempenho, e possibilitar novas aplicações.

In face of the growing interest of the scientific community in two-dimensional materials, particularly carbon-based such as graphene, graphene oxide (GO), and reduced graphene oxide (rGO), due to their unique properties and potential applications, it is essential to understand how the evolution of the reduction process from GO to rGO modifies their characteristics. Electrolyte-gated transistors (EGTs), important devices with potential applications in biosensing, can employ rGO as the active layer and thereby reveal material modifications. Different GO reduction strategies can be employed, among which chemical reduction stands out due to the wide range of possible reducing agents. Hydrazine, for example, is a reducing agent capable of efficiently reducing GO by restoring the material’s sp2 hybridization and consequently increasing its charge-carrier mobility. However, hydrazine is highly toxic, which limits its practical use. In this context, the reduction of GO using ascorbic acid (AA), a more sustainable chemical method, emerges as an attractive alternative. In this work, two reduction routes were employed for liquid-phase exfoliated GO using AA. These routes were referred to as ex situ and in situ reductions, and the rGO samples obtained by both methods were used as active layers in EGTs, enabling investigations into how different parameters affect the transfer characteristics of the devices. The ex situ route was carried out in a GO suspension, and the influence of different process variables, such as reduction time, temperature, and reagent concentration, was studied. FTIR and UV–Vis analyses confirmed that the material was successfully reduced. However, after the deposition of rGO films onto the device electrodes, AFM characterization and electrical measurements revealed significant material aggregation, preventing the proper operation of the devices as EGTs. An experimental setup was then developed for the in situ route, in which the reduction process is performed after GO deposition onto the device electrodes. Using this approach, it was observed that GO reduction could be controlled by employing 10 mL of an aqueous solution containing 100 mg of AA and 30 uL of ammonium hydroxide at 90ºC. Electrical measurements showed that the electrical resistance decreases with increasing reduction time, up to 2 h. XPS and Raman spectroscopy results, complementing the electrical measurements, demonstrated that a reduction time of 1 h yielded the lowest concentration of oxygen-containing functional groups on the rGO surface. Other properties, such as the capacitances arising from the interaction between the material and the electrolyte, were investigated through electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The in situ reduction method proved to be effective, enabling a correlation between the electrical characteristics of the devices and the structural and morphological properties of the rGO films. This approach contributes to a better understanding of device operation, optimization of performance, and the development of new applications.